高品質(zhì)、大規(guī)格N06625板材生產(chǎn)工藝研究

丁五洲，楊 晗，程 偉，楊 哲，楊永石，楊芙蓉，嚴(yán) 平

（寶鈦集團有限公司，陜西 寶雞 721014）

N06625是一種以鉬、鈮為主要強化元素的固溶強化型鎳基變形高溫合金，其國內(nèi)相近牌號為GH3625、NS3306，各牌號要求化學(xué)成分詳見表1。因其具有耐活潑性氣體、耐苛性介質(zhì)、耐還原性酸介質(zhì)腐蝕的良好性能，又具有強度高、塑性好、可冷熱變形和加工成型及焊接，廣泛的運用于化學(xué)工業(yè)、航天、艦船、電子、核電等重要領(lǐng)域[1]。

目前國內(nèi)市場主流產(chǎn)品均為單重小于2t的N06625板坯，成品板材單重較小，且產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，不能滿足大型特種裝備制造的需要，絕大多數(shù)須依靠進口。為解決這一現(xiàn)狀，依靠寶鈦集團的現(xiàn)有裝備，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASME B443的要求，通過改進生產(chǎn)工藝，把控生產(chǎn)過程中原料添加、真空度、渣系配比、脫氧劑選擇等關(guān)鍵技術(shù)點。調(diào)配主合金成分，控制雜質(zhì)元素及氣體元素O、N、H含量，生產(chǎn)出鑄錠重量大于5t，板材單重大于3t的高品質(zhì)、大規(guī)格N06625中厚板材，以滿足國內(nèi)中高端市場及大型裝備制造對N06625的需求。

本實驗用三種試驗方法進行論證，分別為方法一：兩步熔煉（VIM+ESR）+鍛造+軋制，其中感應(yīng)熔煉原料加入方法分為單金屬加入和中間合金形式加入兩種；方法二：兩步熔煉（VIM+VAR）+鍛造+軋制；方法三：三步熔煉（VIM+ESR+VAR）+鍛造+軋制；對四種生產(chǎn)方法進行試驗，并將各種生產(chǎn)方法結(jié)果與經(jīng)濟效益進行對照，從而得出更適合大規(guī)格N06625中厚板材的生產(chǎn)工藝路線。

因GB/T 14992中GH3625與GB/T 15007中NS3306均為仿制美標(biāo)ASME B443，故本文不再贅述，化學(xué)成分及力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)要求均以ASME B443為準(zhǔn)。

1 實驗方法

本實驗對不同的熔煉方式進行比較，探究不同熔煉方式熔煉N06625的優(yōu)缺點。

方法A：VIM+ESR+鍛造+軋制，VIM采用單金屬加入。方法B：VIM+ESR+鍛造+軋制，VIM采用中間合金方式添加鈮、鉬、錳、鈦及鋁。

方法C：VIM+VAR+鍛造+軋制。

方法D：VIM+ESR+VAR+鍛造+軋制。

A方案與B方案相比，因原料不同，從而相應(yīng)的裝料方式、加熱方式、精煉方式不同；其余控制參數(shù)真空度、冷卻時間等兩方案要求一致。

B方案與C方案相比較，將電渣熔煉改變?yōu)檎婵兆院娜蹮挕?/p>

D方案與BC方案相比較，D方案真空感應(yīng)熔煉參數(shù)與B/C方案一致，電渣熔煉與B方案參數(shù)一致，真空自耗熔煉參數(shù)與C方案一致。

各種熔煉工藝參數(shù)控制如下：

真空感應(yīng)熔煉（A）：使用2.5T真空感應(yīng)熔煉爐，每爐投料2150kg，全部原料為單金屬加入，精煉后真空度控制在0.5Pa以內(nèi)，生產(chǎn)鑄錠單重約2100kg，鑄錠規(guī)格φ460mm，每爐熔煉時長10h～ 12h。

真空感應(yīng)熔煉（B）：使用2.5T真空感應(yīng)熔煉爐，每爐投料2150kg，電解鎳、金屬鉻、純鐵、鈷為單金屬加入，錳、鉬、鈮、鈦、鋁分別以相應(yīng)的中間合金加入，精煉后真空度控制在0.5Pa以內(nèi)，生產(chǎn)鑄錠單重約2100kg，鑄錠規(guī)格φ460mm，每爐熔煉時長7h～ 9h。

真空自耗熔煉：使用3T真空自耗爐，原料由真空感應(yīng)熔煉（B）所生產(chǎn)鑄錠2節(jié)組成，真空度控制在0.1Pa以內(nèi)。生產(chǎn)鑄錠單重約3.5T，鑄錠規(guī)格φ530mm，每爐熔煉時長8h～10h。

電渣熔煉：使用寶鈦集團5T電渣重熔爐，原料為真空感應(yīng)熔煉（B）所生產(chǎn)鑄錠3節(jié)組成，生產(chǎn)出電渣鑄錠規(guī)格φ640/670mm，單重約6T。熔煉電流為11KA～13KA，電壓55V～ 65V，采用四元渣系（CaF2、Al2O3、MgO、CaO），采用鋁豆作為保護劑避免增氧劑，每爐熔煉時長10h～12h。

表1 N06625及相近國標(biāo)成分要求

各種試驗方案內(nèi)容見表2。

表2 試驗方案

根據(jù)上述方案熔煉后將方案A、B、C、D的鑄錠經(jīng)過修磨→鍛造→軋制→熱處理之后得到規(guī)格15～30×＞2000×＞5000mm的板材。

對各方案最大錠型、生產(chǎn)能力、坯料的成分、板材力學(xué)性能進行檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 方法A

2.1.1 原理

此方法為典型的鎳合金雙聯(lián)法鎳合金生產(chǎn)工藝，真空感應(yīng)熔煉具有良好的成分調(diào)配能力，較高的真空可控制O、N、H含量，通過原料控制可以使鑄錠P、S、Si等雜質(zhì)含量控制在較低水平。電渣熔煉具有良好的脫S、去除非金屬夾雜等功能，且所生產(chǎn)鑄錠致密，冶金質(zhì)量好[2]。

通過此方法生產(chǎn)鑄錠表面質(zhì)量好、縮孔小、無需扒皮、成材率高，但因原料為單金屬加入，在真空狀態(tài)下錳元素?fù)]發(fā)嚴(yán)重，收得率低，鉬、鈮兩種單質(zhì)因熔點高、單重大，受物料狀況等元素影響，往往來不及熔化完全已沉入坩堝底部或粘結(jié)在坩堝壁，造成鑄錠成分分布不均，難熔金屬元素易產(chǎn)生偏析，鑄錠成分均勻性難以控制。

2.1.2 檢測結(jié)果

經(jīng)檢測，方案A真空感應(yīng)及電渣重熔后鑄錠的成分如表3及表4所示。

通過對成分觀察可看出雖化學(xué)成分均在可控范圍內(nèi)，但Mn元素收得率低，Mo、Nb元素因部分粘結(jié)與坩堝壁，部分未熔化，導(dǎo)致實際成分與目標(biāo)成分偏低。電渣重熔后因真空感應(yīng)錠成分分布不均勻，導(dǎo)致Mo、Nb化學(xué)元素分布不均。S、Si元素含量明顯降低，O元素有所反彈但符合目標(biāo)要求。

2.2 方法B

2.2.1 原理

此方法原理與方法A相同，但將Mn、Mo、Nb、Ti、Al元素采用中間合金形式加入。

采用此方法優(yōu)點為成分調(diào)配準(zhǔn)確，Mn揮發(fā)少，Mo、Nb不會產(chǎn)生無法熔化的現(xiàn)象，Ti、Al含量控制精確。因中間合金熔化速度快，減少了合金單爐生產(chǎn)周期，增加坩堝使用壽命。而且各中間合金在生產(chǎn)時保證良好的真空度，能較好的脫除Mo、Nb等元素中帶來的P、S等雜質(zhì)元素，為真空感應(yīng)鑄錠中雜質(zhì)元素含量的降低做好準(zhǔn)備。嚴(yán)格控制真空度，從而控制合金中O、N、H含量，尤其是較高的真空度，在真空條件下，碳的脫氧能力能大大提高，由經(jīng)驗公式（1）可知，真空條件下碳脫氧原理如下[3]：

此公式反應(yīng)平衡式如（2）：

由（2）可知，若要ω[O]含量降低，須提高爐內(nèi)真空度，降低CO含量，并使整個反應(yīng)能不斷的向生成CO的方向進行。

后進行對比試驗對照出在不同真空條件下所生產(chǎn)N06625鑄錠中氧含量與真空度關(guān)系如圖1所示。

總而言之，鋼貿(mào)企業(yè)財務(wù)管理中成本控制至關(guān)重要，在復(fù)雜的國際環(huán)境和激烈的國內(nèi)競爭中，鋼貿(mào)企業(yè)想要取得良好的經(jīng)濟收益就必須要采取有效手段控制成本。

圖1 精煉后真空度與鑄錠氧含量對比圖

由圖1可看出，只有精煉后真空度維持在較高水平，鑄錠中氧含量才能得到有效控制；故在實際生產(chǎn)過程中，真空感應(yīng)熔煉真空度的控制為關(guān)鍵參數(shù)。

2.2.2 檢測結(jié)果

對方案B真空感應(yīng)及電渣重熔后鑄錠進行化學(xué)成分檢測，檢測結(jié)果如表5及表6所示。

通過對成分觀察可看出主成分及雜質(zhì)成分均在目標(biāo)成分之內(nèi)，可以明顯看出由于在真空感應(yīng)熔煉階段采用加入中間合金的方法，錳元素收得率高且Mo、Nb元素分布均勻，與目標(biāo)成分相近，氣體元素含量亦控制于較低水平，Si、P、S含量均有明顯降低。再者良好的真空條件控制，保證了合金優(yōu)秀的冶金質(zhì)量，為電渣重熔時O、N元素反彈留有余量，可整體較好控制O、N含量，避免因氣體元素含量過高，造成鑄錠加工時開裂。

鑄錠表面質(zhì)量好，縮孔淺，鍛造前只需將鑄錠頭部、底部切除即可，無需扒皮，一次鑄錠成品率可達90%以上。

因電渣錠無需扒皮，其表面細晶組織未被破壞，鍛造后因其表面無裂紋，扒皮量少。頭尾表面質(zhì)量好，切頭率小，鍛造成品率可達98%。軋制成型性好，開坯很少出現(xiàn)端部、邊部開裂的情況，成品率提高，內(nèi)部質(zhì)量好，經(jīng)過探傷未見內(nèi)部有明顯的非金屬夾雜。

作者結(jié)合生產(chǎn)要求，按照方法B對N06625進行規(guī)?；a(chǎn)一批次，對50爐次真空感應(yīng)錠與相應(yīng)的電渣錠氧含量進行了數(shù)理統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。

表3 方法A所生產(chǎn)N06625真空感應(yīng)錠成分

表4 方法A所生產(chǎn)N06625電渣錠成分

圖2 同一鑄錠真空感應(yīng)與電渣重熔后氧含量對比圖

為進一步探究電渣重熔對非金屬夾雜的祛除效果，作者對一次真空感應(yīng)鑄錠軋制板材與方案B真空感應(yīng)+電渣重熔后鑄錠軋制板材金相進行對照，對照結(jié)果如圖3所示。

圖3 真空感應(yīng)錠軋制板材（左）與方案B軋制板材（右）金相照片對比

由圖看出，前者晶粒偏析，晶界間有大量夾雜，后者相較前者晶界純潔無夾雜，晶粒細小均勻。由此證明電渣重熔對雜質(zhì)的祛除效果十分明顯。

2.3 方法C

2.3.1 原理

此方法為另一種常見的鎳合金雙聯(lián)法生產(chǎn)工藝，真空感應(yīng)+真空自耗熔煉可準(zhǔn)確調(diào)配合金化學(xué)成分，因其為雙真空，去氣條件比方法A與B強，可明顯降低H/O/N含量，能除去低熔點易揮發(fā)性雜質(zhì)。

與電渣爐相比較，脫硫能力及改善夾雜物分布效果不明顯，合金錠熱加工性能差。在高的過冷度的條件下，由底部以樹枝晶的方式逐漸向上生長，減少中心疏松，減輕化學(xué)元素的偏析，但合金中仍可能會出現(xiàn)黑斑、白斑、年輪狀偏析等缺陷[4]。鑄錠頭部得到充分補縮，避免中心縮孔，但與電渣重熔相比，錠面質(zhì)量較差，縮孔還不能完全消除，熱加工前需要扒皮，易導(dǎo)致鍛造后表面開裂。

2.3.2 檢測結(jié)果

對方法C所生產(chǎn)鑄錠化學(xué)成分進行檢測，檢測結(jié)果如下表7所示。

通過對此鑄錠的成分分析，各主成分元素含量在目標(biāo)控制范圍之內(nèi)，Si含量相較電渣重熔較高，由于真空度較高，C、H、O未像電渣重熔一樣發(fā)生反彈。但所生產(chǎn)鑄錠由于生成皮下氣孔導(dǎo)致須后續(xù)加工須扒皮處理。

鍛造前需將鑄錠頭部、底部大量切除，一次鑄錠成品率低于B法。因真空自耗錠進行了扒皮處理，其表面細晶組織已破壞，鍛造后其表面易出現(xiàn)大量裂紋，后續(xù)扒皮量大，頭尾切頭量大。軋制板型較好，開坯時易出現(xiàn)端部、邊部開裂的情況，道次表面修磨量大，相較電渣錠其內(nèi)部存在非金屬夾雜。

2.4 方法D

原理。

根據(jù)一般經(jīng)驗，鎳合金生產(chǎn)過程中對于中等合金化可采取雙聯(lián)工藝，如果錠型特大則采用三聯(lián)工藝；真空感應(yīng)熔煉可獲得化學(xué)成分均勻，雜質(zhì)含量低的合金，經(jīng)電渣重熔可解決真空感應(yīng)中帶來的夾雜物含量高、縮孔深、表面質(zhì)量差、內(nèi)部疏松等缺陷，提供致密無缺陷的電極。再進行真空自耗重熔，可以保證重熔過程中不會由于真空感應(yīng)爐熔煉電極中的縮孔和裂紋等缺陷造成的不穩(wěn)定性，而導(dǎo)致融化速率變化，增加宏觀偏析傾向，而且能解決因電渣重熔帶來氣體含量反彈問題[4]。

所生產(chǎn)合金成分均勻、氣體含量、雜質(zhì)含量、非金屬夾雜含量低，但工序長，投資大、生產(chǎn)成本高且鑄錠須進行扒皮，且鍛造后修磨量、切頭量較大，一次成品率相較B法低。

本試驗方案D采用真空感應(yīng)熔煉+電渣重熔+真空自耗熔煉，經(jīng)過成分分析得到三聯(lián)法生產(chǎn)高品質(zhì)N06625的成分如表8所示。

將方法D與方案A、B和方案C進行對比可得出，三聯(lián)法可有效的改善合金的純潔度，并且對O、H、N等元素具有較好的控制。解決了雙聯(lián)法帶來的H、O、N元素的反彈問題，并且能更好的控制C、S、P等元素，最大限度的減少它們在合金中的含量。

鑄錠經(jīng)過扒皮后，進行鍛造、軋制，加工時出現(xiàn)的情況與C方法類似，成品率低于B方法，但板材表面質(zhì)量、內(nèi)部非金屬夾雜與C方法相比較有明顯的改善。

表5 方法B所生產(chǎn)N06625真空感應(yīng)錠成分

表6 方法B所生產(chǎn)N06625電渣錠成分

表7 方法C所生產(chǎn)N06625真空自耗錠成分

表8 方法D生產(chǎn)鑄錠成分

2.5 生產(chǎn)能力及檢測結(jié)果比較

對上述四種實驗方案各工序的重量進行統(tǒng)計，可得出各方案在現(xiàn)有工藝、設(shè)備能力下的生產(chǎn)能力，方案A及方案B所生產(chǎn)鑄錠可達5T，軋制后最大板材單重大于3T。方案C及方案D受自耗爐限制，最大單重3.5T，因鍛造前扒皮、鍛造后修磨、軋制中修磨導(dǎo)致板材單重最大2.5T。但A方案相較B方案化學(xué)成分不穩(wěn)定，且熔煉成本等高于B方案。

通過對各實驗方案的統(tǒng)計，可明顯看出，通過B方法可生產(chǎn)出鑄錠單重大于5T，板材單重大于3T的N06625中厚板。

對各種方案所軋制相同規(guī)格板材，采用同一種熱處理方式進行熱處理后，對各方案力學(xué)性能進行統(tǒng)計如表9所示，金相如表圖2所示。

表9 N06625板材力學(xué)性能

通過力學(xué)性能可以看出，各方案所生產(chǎn)相同規(guī)格板材，在同一熱處理條件下的力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，無明顯差異。

3 結(jié)論

經(jīng)過對四種生產(chǎn)方式的綜合對比，從產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本及我單位實際生產(chǎn)能力，最終確定B方法，其適用于大規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。

B方法相較A方法能有效解決成分難以調(diào)配，各合金元素含量準(zhǔn)確，且熔煉周期短；相較C方法能解決表面易開裂，非金屬夾雜多，S含量高的問題；相較D法工序短，生產(chǎn)成本低。證明方案B采用加入中間合金代替純金屬生產(chǎn)與傳統(tǒng)添加純金屬相比較，添加中間合金在化學(xué)成分上能保證合金的穩(wěn)定性、均勻性，在縮短生產(chǎn)周期，降低坩堝損耗也有明顯的效果，其鑄錠經(jīng)過鍛造、軋制后力學(xué)性能也能保證良好的表現(xiàn)。

方案D其組織、夾雜和性能各方面均優(yōu)于其余方案，但因其工序長、成本高、成品率低，故只適用于軍工及航空航天等附加值較高的領(lǐng)域。對于民用化工等行業(yè)，方案B所生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量完全滿足使用要求，且工期短、成本低。